如何获取仿真分析所需的材料参数?推荐三个材料数据库

在往期文章的留言中，有读者想了解关于在workbench中提取扭矩、弯矩等的方法，即如何提取截面的内力?为此，笔者以对此进行了梳理，分享给大家。在workbench中，单元类型的不同，提取内力的方法不同。最简单的就是梁单元中内力的提取。本篇文章笔者以不同单元类型的梁为例，介绍相关内力的提取方法。【本文末附实体/壳元模型批处理脚本(付费)，支持笔者还请有需要的小伙伴按需下载】--01--实体单元梁内力提取对于实体单元而言，ANSYSworkbench中没有相关截面宏观内力的输出选项，所以需用户需结合单元节点进行内力的手动提取。本文以下面的简支梁为研究对象，演示相关内力的提取方法。如下所示，截面尺寸为200mmx400mm,长度为L=5000mm，顶部受q=10kN/m的荷载，采用实体单元分析并求解其内力图。图1梁结构概况理论上，梁截面中部和梁端部截面的内力如下:①中部截面：M=0.125*q*L^2=0.125*10*5^2=31.25kN·mV=0kN·m②端部截面：V=0.5*q*L=0.5*10*5=25KNM=0kN本例以ANSYSworkbench2020R2软件演示。首先，打开workbench拖入静力学分析模块（StaticStructural），然后打开spaceclaim如下图：打开后，根据梁截面和长度尺寸建立实体梁模型，如下图所示：图3实体梁模型保存后，关闭。进入EngineeringData数据模块，添加软件默认的混凝土材料，如下图所示：图4添加材料双击model进入分析界面，将实体梁的材料改为concrete，如下图：图5材料赋予接下来，我们设置约束边界条件和荷载边界条件。此案例为简支约束，由于是实体单元，此处我们通过设置位移约束的方式模拟简支约束，设置方法如下：图6施加位移约束的方法梁的左端面位移约束设置如下：图7梁左端面设置位移约束(模拟简支)梁的右端面位移约束设置如下：图8梁右端面设置位移约束(模拟简支)通过以上设置，梁两端已经成为简支约束，但为了防止梁沿着梁长度方向即Z轴方向移动，在两端面的任意一个端面的下部模型线上设置一个Z方向的位移约束，如下所示：图9Z方向施加位移约束接下来设置荷载边界条件。梁顶部受q=10kN/m的荷载，为线荷载。由于梁为实体单元，需转化为梁顶面的压力，梁宽度为0.2m，因此顶面施加的压力为:10/0.2=50kN/m^2=50000Pa.荷载施加如下:图10荷载施加网格划分。此处我们添加一个网格尺寸，单元尺寸设置为50mm，网格划分如下:图11网格划分以上设置完成后就可以计算了。但我们需要在Workbench中，查看实体单元、壳单元截面内力，其原理是利用截面节点力对特定位置处的积分得到，故而在具体查看之前，应首先在求解设置里面输出节点力，设置如下：图12打开节点力输出选项计算之后，在Workbench查看【端部截面】内力值方法如下：①右键solution选项，插入Probe,然后选择ForceReaction和MomentReaction；图13插入probe选项②在具体的设置里面，将BoundaryCondition选择为我们设置的边界条件，设置后即可更新，得到结果。如下所示，梁端部弯矩值约为0N.m(数值算法存在一定误差)，与理论值相符。查看端部剪力的方法与弯矩类似，其值为25000N，与理论值相符。图14端部截面的内力提取那么如何查看非端部截面的内力值呢?我们以查看跨中截面为例，演示具体的操作流程。前文已经提到，非端部截面内力值是通过节点力积分得到，此处需要我们提前在查看内力位置处创建一个Surface。workbench中，由于创建的Surface默认是基于坐标系的XOY平面，故而我们还需要创建一个局部坐标系，否则无法于指定位置处创建Surface。步骤如下：①在CoordinateSystem下方新建一个局部坐标系，并移动坐标系原点至跨中位置处，同时调整坐标系方向，保证XOY平面垂直于悬臂梁长度方向；此处移动坐标系原点需注意:由于后续查看内力时需要指定积分点的坐标，建议将坐标系原点与截面处的积分点位置坐标重合。例如，此处想查看截面内力对截面中心点的值(梁截面200mm*400mm)，故而坐标的移动值为0.1,0.2,2.5（以m为单位）。图15新建坐标系②右键点击Model，选择插入Surface，设置Surface的坐标系为刚才创建好的局部坐标系。图16新建梁中部surface③在Solution模块再次插入MomentReaction和ForceReaction,此时LocationMethod我们选择Surface，同时选择前面定义好的surface面，Orientation(方向)切换至该Surface对应的局部坐标系，Summation(合计)选择我们建立的坐标系OrientationSystem,最后确定需要计算的时间即可(endtime)。结果如下:图17提取梁中部的弯矩和各方向内力可以看出，计算所得的弯矩值为31250N.m，与理论计算完全一致，而剪力值为83.3N(理论为0)有一定误差。如果需要比较准确的获取截面的内力，建议在需要获取截面内力位置处切割一下生成有限元节点。但实际情况下，针对复杂体，采用切割模型的方式往往不现实。因此，可采取适当加密网格，这样能保证一定的精度。此处我们加密网格至20mm，重新计算，结果如下，剪力值为33.3N(理论为0)，更接近理论值。图18加密网格后，梁中部剪力更接近实际情况上述内容是从单个截面阐述了获取内力的办法，如果是想要获取内力图，那么就需要进行批处理操作。因为内力图是多个连续面获取内力，然后绘制而成。想要批量操作，就需要在workbench中采用Python脚本进行批量操作。在Mechanical界面下，击菜单栏里面的Automation，点击Scripting,可进入脚本输入界面，将上述步骤通过脚本的形式结合for循环输出结果。其原理是根据用户指定的坐标，创建局部坐标系，重复上述过程，即可获取整根梁的截面内力，将获取到的内力输出到一个文件中，即可实现整根梁的截面内力分布输出。图19Scripting脚本编辑界面本文末笔者给出了案例模型及脚本代码，支持笔者，有需要的小伙伴可付费自取。获取代码后，粘贴代码即可运行，但需注意模型坐标系的设置和端部截面内力的提取。代码演示效果如下：图20Scripting脚本计算输出以文中案例，当我们把断面划分段数为10时，结果如下，第一列为沿梁的长度坐标，第二列为剪力值，第三列为弯矩值(注意输出单位)。图21计算输出结果我们可以将输出的结果文件导入excel或其他制图软件，即可绘制相关内力图。本例利用excel绘制梁剪力和弯矩图如下:图22计算结果绘图显示--02--壳单元梁内力提取关于壳单元梁的内力输出方式与实体单元梁完全一致。本文同样采用长度为L=5000mm的梁，该梁采用钢梁（默认钢材料），壳单元建模分析。如下图所示。图23壳单元建模钢梁壳单元梁的所有分析方法与实体单元梁完全一致。此次不再详细说明，直接给出相应的操作结果。①网格划分(20mm)：图24钢梁网格划分结果②约束边界条件图25钢梁约束边界条件施加结果③荷载边界条件图26钢梁荷载施加结果需要注意的是，在求解前同样需要在analysissetting下的outputcontrol选项下打开Nodeforce输出节点力。然后再进行求解。④求解结果如下；图27钢梁跨中弯矩剪力输出可以看出，采用壳单元时，弯矩的分析结果也是完全符合理论。但力的结果存在一定误差(理论为0)，相比实体单元，力的输出结果误差更大一些。此外，壳单元梁的批处理脚本文件与实体单元梁的一样。--03--梁单元梁内力提取关于梁单元梁的内力输出，笔者在《一看就会，一学就废?如何用ANSYSWorkbench中的梁单元进行分析?》一文中有过具体的讲解，有兴趣想要了解的朋友可以阅读此文。此处也不再赘述。好了，今天的内容就和大家分享到这里，咱们下期见～小伙伴也可以在评论区说说想看的内容，后续笔者也会根据大家的意见持续更新哦～来源：薛定谔的Cube